JP5312170B2 - 給湯システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを利用した給湯システムおよびその給湯システムの制御方法に関する。

近年、石油資源の大量消費に伴う大気汚染や地球温暖化が問題となっており、製品や設備の省エネルギー化、温暖化ガス排出量の低減が図られている。保養施設、病院、ホテル、温水プール等では、大量の湯を供給するために給湯システムを備えているが、上記問題から、ヒートポンプを利用した給湯システムが数多く提案され、また、採用されるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。

ヒートポンプは、外気と熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、熱交換されて温度が上昇した熱媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮された熱媒体と加熱対象物との間で熱交換する熱交換器と、温度は下がるものの圧縮された状態の熱媒体を膨張させる膨張弁とを備える構成とされている。

特許文献１では、熱媒体に水を使用し、外気が低温となり、熱交換器で熱交換ができなくなるのを防止するために、ボイラから排出される排ガスと熱交換し、ヒートポンプの運転を可能にしている。なお、ヒートポンプは、熱媒体を移動させるのに必要とされるエネルギーのみを与えればよいため、消費電力の約３倍の熱を有効利用できる点で効率的である。また、ボイラのように液体燃料を使用するものではないため、その市場価格に大きく影響を受けるものではない。

しかしながら、このようなヒートポンプを利用した給湯システムでは、生成した湯を貯留するタンクが１つであることが多いため、そのサイズが大きく、輸送や設置が容易ではなく、追い炊きするにも時間がかかるという問題があった。

そこで、複数のタンクを備えた給湯システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このシステムでは、複数のタンクを直列に配管接続し、循環ポンプ、給湯用熱交換器を設け、給湯用熱交換器から流量調整弁を介して給湯側タンクの上部に導かれる流路と、給湯用熱交換器から並列に流量調整弁を介して給水側タンクの下部に導かれる流路とを流量調整弁によって切り換えられるように構成している。このシステムでは、流量調整弁によって給湯用熱交換器を流れる流量を調整し、給湯側タンクの上部から供給する湯の温度を調整できるようにし、さらに、夏場において給湯側タンクのみをタンク内の発熱体により沸き上げるように構成している。

この給湯システムは、複数のタンクを備えるため、径の細いタンクを複数設置することができ、設置スペースを小さくすることができる。また、電力コストが安価な深夜電力を使用し、発熱体を通電させ、給湯タンク内の水を加温し、深夜電力時間外において沸き増しを行う場合にヒートポンプを利用し、給湯側タンク内の湯水を優先して加熱することができるので、即湯性に優れている。

特開２００８−８５８１号公報 特開平９−２３６３１６号公報

従来の上記給湯システムは、複数のタンクから構成され、それらが直列に接続されているため、使用負荷に対して対応することが可能であるが、発熱体を通電させ、タンク内の水を加温するため、多くの電力を消費し、電力コストがかかるという問題があった。

また、上記給湯システムでは、給湯側タンクおよび給水側タンク内の湯の温度が低下した場合、発熱体を通電させ、昇温することから、昇温時にも、多くの電力を消費し、電力コストがかかる。

さらに、上記給湯システムは、タンク下部に取り付けられた温度センサが４５℃以上かどうかを判定し、４５℃未満のとき、湯がなくなったと判定し、その判定を受けて、給湯用熱交換器へ給水して湯を生成し、給湯側タンク、給水側タンクの順に貯留する。給湯側タンクを優先して湯を貯留するので、早急に給湯することが可能であるが、湯切れが生じる場合がありうる。

したがって、消費電力を抑制することができ、湯切れを防止することができ、かつ短時間で昇温が可能なシステムおよびその制御方法の提供が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑み、湯を貯留する複数のストレージタンクを直列に接続し、ストレージタンク間に循環ポンプを接続して全ストレージタンク内の湯を循環可能にし、給湯ラインに接続される第１ストレージタンクとそれ以外のストレージタンクのうちの１つ（第２ストレージタンク）に給湯機をそれぞれ接続したシステム構成とし、制御手段が、第１ストレージタンクおよび第２ストレージタンクの残湯量が指定量以下であることを検知し、給湯ラインを流れる湯の温度が予め設定された設定温度未満であることを検知した場合、第１ストレージタンクに接続される給湯機のみを運転させ、その温度が設定温度以上であることを検知した場合は、循環ポンプおよび他方の給湯機を運転させるように制御する。

このように、ストレージタンクを直列に接続することにより、湯の使用負荷に対して正確に機能することができ、長時間の給湯が可能となる。また、循環ポンプで湯を循環させることで、複数のストレージタンク内の湯の温度を一定に保つことができる。さらに、湯切れの可能性がある場合に、給湯温度が設定温度以上であるかを判断して、設定温度未満であると判断した場合には、湯の温度が低く、残湯量が少ないことから、第１ストレージタンクに接続される給湯機のみを運転し、短時間で第１ストレージタンク内の湯水を昇温するとともに湯量を増加させて充分な給湯を可能にし、設定温度以上であると判断した場合には、温度に余裕があることから、循環ポンプおよび他方の給湯機を運転し、時間をかけて湯量を増加させることができる。

各給湯機は、指定時間内に複数のストレージタンクすべてに９０℃以上の湯を生成して貯留させることが可能な能力を有するものとすることができる。この場合、一方の給湯機は、その指定時間内に第１ストレージタンクと第２ストレージタンクの両方に湯を生成して貯留し、他方の給湯機は、第１ストレージタンクにのみ湯を生成して貯留するので、充分な昇温能力を有し、短時間で昇温するとともに湯量を増加させることができる。

本発明では、上記給湯システムの制御方法も提供することができ、この方法は、制御手段により実現され、第１ストレージタンクおよび第２ストレージタンクの残湯量が指定量以下であることを検知したことに応答して、給湯ラインを流れる湯の温度が設定温度以上であるかを判断するステップと、その温度が設定温度未満であると判断した場合、第１ストレージタンクに接続される給湯機のみを運転させ、その温度が設定温度以上であると判断した場合には、循環手段と第２ストレージタンクに接続される給湯機とを運転させるステップとを含む。

給湯システムの構成例を示した図。 給湯システムに用いられる給湯機の一例を示した図。

図１は、給湯システムの構成例を示した図である。この給湯システムは、湯を貯留する２つのストレージタンク１０、１１を含み、それらが配管により直列に接続されている。２つのストレージタンク１０、１１の間には、循環ポンプ１２が設置され、ストレージタンク１０からストレージタンク１１へ、ストレージタンク１０内の湯を送り、２つのストレージタンク１０、１１内の湯を循環することができるようにされている。ストレージタンク１１からストレージタンク１０へは、配管を介して湯が循環し、その配管を流れる湯が逆流しないように、逆止弁１３が設けられている。

各ストレージタンク１０、１１には、給湯機１４、１５が接続されている。これらの給湯機１４、１５は、給水ライン１６に接続され、その給水ライン１６に設けられる電動弁１７、１８が「開」にされることにより給水され、その給水および電力供給を受けて運転し、水を加熱して湯を生成し、その湯を各ストレージタンク１０、１１へ供給するようにされている。

各ストレージタンク１０、１１は、円筒形等、いかなる形状であってもよく、また、ストレージタンク１１からストレージタンク１０へ適切に湯が流れるように設置位置が決定されている。また、ストレージタンク１０、１１は、１００℃未満の湯を貯留するため、その温度に耐え、かつ破損しない強度を有する材料、例えば、炭素鋼やステンレス鋼で形成される。

ストレージタンク１０、１１の容量は、同じ容量であってもよいし、異なる容量であってもよい。例えば、ストレージタンク１０の容量を約４ｍ^３、ストレージタンク１１の容量を約６ｍ^３とすることができる。

給湯機１４、１５は、図２に示すように、貯湯ユニット３０と、ヒートポンプユニット４０とから構成され、貯湯ユニット３０は、貯湯タンク３１と、給水受入ノズル３２と、給湯送出ノズル３３と、ヒートポンプユニット４０との間で加熱のために水を循環する循環用ノズル３４、３５とを備えることができる。

ヒートポンプユニット４０は、外気の熱を吸収し熱媒体に与える吸熱手段４１と、熱媒体を圧縮する圧縮手段４２と、圧縮された熱媒体により貯湯ユニット３０へ供給された水を加熱する加熱手段４３と、圧縮された熱媒体を膨張させ、吸熱手段４１へ供給する膨張手段４４とを含むことができる。

吸熱手段４１は、外気を取り入れ、内部の空気を排出する換気ファンを備え、取り入れた外気の熱を熱媒体へ伝えて、熱媒体を温める。そのため、吸熱手段４１は、外気と熱媒体との間で熱交換する熱交換器を含み、管内に熱媒体を流し、外気をその管に接触させて外気の熱を管内の熱媒体へ与える。熱交換器において熱伝導効率を向上させるために、伝熱面積を大きくすることができ、例えば、熱媒体が流れる管をコイル状としたり、その管の表面にフィンを設けることができる。熱媒体としては、圧縮比を大きくとることができ、その圧縮により大きく温度上昇するガスが好ましく、空気や二酸化炭素等を挙げることができる。

圧縮手段４２は、吸熱手段４１で温められた熱媒体を圧縮する。この圧縮手段４２で行われる圧縮は、断熱圧縮に近いポリトロープ圧縮であるため、その吐出温度は圧縮比に依存して上昇する。例えば、熱媒体として空気を使用し、約０．１ＭＰａ、約２０℃の空気を約０．７ＭＰａまで圧縮すると、外部との熱の授受がない場合、その圧縮のために加えられたエネルギーは全て温度上昇となり、理論上約２６０℃となるが、現実には熱損失があり、約１７０〜２００℃となる。熱損失があるとはいえ、１００℃を超える温度であるため、十分に水を加熱することができる。この圧縮手段４２としては、容積圧縮機が好ましく、例えば、往復圧縮機、ダイアフラム式圧縮機等を挙げることができる。なお、上記容量のストレージタンク１０、１１を採用する場合、例えば、定格２５ｋＷの圧縮機を採用することができる。

このように圧縮され高温とされた熱媒体は、加熱手段４３へ送られ、貯湯ユニット３０へ供給された水へその熱を与える。加熱手段４３は、熱交換器とすることができ、伝熱面積を大きくするために、コイル状としたり、フィンを設けることができる。

加熱手段４３において水へ熱を与えて温度が降下された熱媒体は、圧縮された状態で維持され、その温度も、貯湯ユニット３０内に貯留される湯の温度以下には下がらない。これでは、吸熱手段４１において外気の熱を吸収することができない。そこで、膨張手段４４により膨張させ、温度を降下させる。膨張手段４４としては、膨張弁を用いることができる。この膨張手段４４では、圧縮手段４２で約０．１ＭＰａから約０．７ＭＰａへ昇圧する場合、約０．７ＭＰａから約０．１ＭＰａへ降圧することができる。

給湯機１４、１５は、給水された水を加熱して湯を作り、給湯するが、その際、圧縮手段４２としての圧縮機へ電力を供給する必要がある。同じ量の湯を作るのにかかるコストは、上述したようにヒートポンプが消費電力の約３倍の熱を有効利用できる点から大幅に削減することができ、必要とされるエネルギー量も少なくて済むことから、省エネルギー化を図ることができる。また、液体燃料を使用しないため、温暖化ガスとしての二酸化炭素の発生も抑制することができる。また、給湯機１４、１５は、同時に使用することはないので、電力負荷が大きくなることがなく、上述したような小さい消費電力の圧縮機でまかなうことができる。

給湯機１４、１５は、指定時間内にストレージタンク１０、１１のすべてに９０℃以上の湯を生成して貯留させることが可能な能力を有するものとすることができる。この場合、給湯機１４は、ストレージタンク１０に対して大きい能力を有するため、昇温能力を高めることができる。すなわち、ストレージタンク１０内の湯水を短時間で所定温度に昇温するとともに湯量を増加させることができる。指定時間としては、業務蓄熱契約時間とすることができ、その時間は電力コストが安価な夜間電力帯である。ストレージタンク１０、１１へは、電力コストが安価な夜間電力を使用し、給湯機１５のみを使用して約９０℃の湯を生成して貯留することができる。

再び図１を参照して、ストレージタンク１０は、給湯ライン１９に接続され、図示しない各施設へと給湯する。給湯ライン１９には、温度計２０が設けられ、また、ストレージタンク１０、１１には、図示しない液面計が設けられ、残湯量と給湯温度とを検知することができる。液面計により残湯量が指定量以下になった場合、湯切れの可能性があると判断し、そのときの給湯温度をこの温度計２０により測定し、測定された温度に基づき運転方法を切り替えるため、給湯システムは、図示しない制御手段を備えている。

給湯ライン１９から給湯を受ける施設としては、保養施設、病院、ホテル等を挙げることができる。これら施設へ供給する湯の温度は、例えば、約６５℃とすることができる。この設定温度を６５℃とし、温度計２０が６５℃以上を示す場合と、６５℃未満を示す場合とで、運転方法を切り替えることができる。制御手段は、６５℃以上であるかを判断して、それぞれの場合につき、循環ポンプ１２、給湯機１４、１５、電動弁１７、１８に指示を与え、運転させる。したがって、制御手段は、制御回路等とすることができる。

６５℃以上を示す場合は、通常運転として、制御手段が、電動弁１８、給湯機１５、循環ポンプ１２に指示を与え、電動弁１８を開き、給湯機１５と循環ポンプ１２を運転させる。給湯機１５は、圧縮手段４２の一実施形態である圧縮機へ電力を供給し、圧縮機を起動させることにより熱媒体を加熱し、その熱を水に伝えて湯を生成する。生成された湯は、ストレージタンク１１へ送られ、ストレージタンク１１からストレージタンク１０へと送られる。

ストレージタンク１０は、給湯管１９を介して各施設へ供給するともに、循環ポンプ１２によってストレージタンク１１へ湯を戻し、これにより、ストレージタンク１０、１１内の湯が循環される。このように湯を循環することにより、ストレージタンク１０、１１内のいずれの湯の温度もほぼ同じ温度となり、一度に多くの湯を使用する場合においても、一定温度の湯を供給することが可能となる。

給湯機１５は、水を約９０℃まで加熱し、ストレージタンク１１へ供給する。この給湯機１５を運転している間、給湯機１４は運転されない。

ストレージタンク１０、１１は、保温材等が巻かれ、湯の温度が低下しにくくされている。しかしながら、完全に保温することはできないので、時間が経つにつれて次第に冷めてくる。また、湯を使用することにより、ストレージタンク１０、１１内の残湯量が少なくなると、その温度の低下は大きくなってくる。

給湯ライン１９を流れる湯の温度は、残湯量が少なくなるとともに、低下してくる。また、外気温によってもその温度が変わってくる。残湯量が少なくなり、湯切れの可能性がある場合において、給湯温度が６５℃以上を示す場合は、給湯温度に余裕があるため、時間をかけて湯量を増加させることができる。一方、６５℃未満を示す場合は、湯量を確保するとともに６５℃以上に昇温しなければならない。

上述した通常運転では、ストレージタンク１０、１１の両方を昇温するので、６５℃以上の湯にするためには時間がかかる。そこで、給湯機１４のみを運転し、ストレージタンク１０のみを使用して給湯するようにする。ストレージタンク１０のみであれば、ストレージタンク１０、１１の両方を昇温するのに比較して、その容量が小さいので、短時間で６５℃以上に昇温するとともに、その６５℃以上の温度に昇温された湯を供給することができる。また、給湯機１４が、複数のストレージタンク１０、１１の両方を９０℃以上の湯を生成して貯留させることが可能な能力を有する場合、昇温能力を充分に有するため、さらに短時間で昇温が可能となる。

この場合、制御手段は、電動弁１７、給湯機１４に指示を与え、電動弁１７を開き、給湯機１４のみを運転させる。

本発明の給湯システムは、ホテル等の施設に設置する場合、宿泊予約状況に応じて運転を切り替えることができ、予約数が少ない場合は、給湯機１４のみを運転し、ストレージタンク１０のみに湯を生成して貯留することで、給湯負荷を減らし、ランニングコストを抑制することができる。

一方、予約数が多い場合には、給湯機１５および循環ポンプ１２を運転し、ストレージタンク１０、１１に湯を生成して貯留することで、ストレージタンク１０、１１が直列に接続されているため、長時間給湯が可能となる。

これまで本発明の給湯システムおよび制御手段による制御方法を図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。したがって、給湯機１４、１５は、貯湯ユニット３０を備えていなくてもよく、貯湯ユニット３０に代えて、ストレージタンク１０、１１を直接使用することも可能である。

１０、１１…ストレージタンク、１２…循環ポンプ、１３…逆止弁、１４、１５…給湯機、１６…給水ライン、１７、１８…電動弁、１９…給湯ライン、２０…温度計、３０…貯湯ユニット、３１…貯湯タンク、３２…給水受入ノズル、３３…給湯送出ノズル、３４、３５…循環用ノズル、４０…ヒートポンプユニット、４１…吸熱手段、４２…圧縮手段、４３…加熱手段、４４…膨張手段

Claims (3)

1. 湯を生成して供給する給湯システムであって、
   各々が前記湯を貯留し、直列に接続される複数のストレージタンクと、
   前記ストレージタンク間に接続され、前記複数のストレージタンク内の前記湯を循環させるための循環手段と、
   前記複数のストレージタンクのうち、前記湯を供給するための給湯ラインに接続される第１ストレージタンクと、前記第１ストレージタンク以外の第２ストレージタンクとにそれぞれ接続される、外気の熱を吸収し、圧縮された熱媒体により水を加熱して湯を生成する給湯機と、
   前記第１ストレージタンクおよび前記第２ストレージタンクの残湯量が指定量以下で、前記給湯ラインを流れる前記湯の温度が設定温度未満であることを検知した場合、前記第１ストレージタンクに接続される給湯機のみを運転させ、前記温度が前記設定温度以上である場合、前記循環手段と前記第２ストレージタンクに接続される給湯機とを運転させる制御を行う制御手段とを含む、給湯システム。
2. 前記給湯機はいずれも、指定時間内に前記複数のストレージタンクすべてに９０℃以上の湯を生成して貯留させることが可能な能力を有する、請求項１に記載の給湯システム。
3. 各々が湯を貯留し、直列に接続される複数のストレージタンクと、前記ストレージタンク間に接続され、前記複数のストレージタンク内の前記湯を循環させるための循環手段と、前記複数のストレージタンクのうち前記湯を供給するための給湯ラインに接続される第１ストレージタンクと該第１ストレージタンク以外の第２ストレージタンクとにそれぞれ接続される、外気の熱を吸収し、圧縮された熱媒体により水を加熱して湯を生成する給湯機と、前記循環手段および前記給湯機の運転を制御する制御手段とを備える給湯システムの制御方法であって、
   前記第１ストレージタンクおよび前記第２ストレージタンクの残湯量が指定量以下であることを検知したことに応答して、前記給湯ラインを流れる前記湯の温度が設定温度以上であるかを判断するステップと、
   前記温度が前記設定温度未満であると判断した場合、前記第１ストレージタンクに接続される給湯機のみを運転させ、前記温度が前記設定温度以上であると判断した場合、前記循環手段と前記第２ストレージタンクに接続される給湯機とを運転させるステップとを含む、制御方法。

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